云南镇雄某矿区地温场特征及影响因素分析
doi: 10.20008/j.kckc.202602014
娄经敏1 , 徐世光1,2 , 李娴3 , 任博文3
1. 昆明理工大学公共安全与应急管理学院,云南 昆明 650093
2. 云南地矿工程勘察集团有限公司,云南 昆明 650011
3. 昆明理工大学国土资源工程学院,云南 昆明 650093
基金项目: 本文受云南省盈江至陇川高温热水带地热资源专项调查(D201709)项目资助
Analysis on characteristics and influencing factors of geothermal field in a certain mining area of Zhenxiong, Yunnan
LOU Jingmin1 , XU Shiguang1,2 , LI Xian3 , REN Bowen3
1. Faculty of Public Security and Emergency Management, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093 , Yunnan, China
2. Yunnan Geological and Mineral Engineering Survey Group Co., Ltd., Kunming 650011 , Yunnan, China
3. Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093 , Yunnan, China
摘要
为探究云南镇雄某矿区地温场特征及其主控因素,本文系统整合了钻孔测温数据与地层岩样热导率测试结果,计算了地温梯度与大地热流值,采用克里金插值法绘制其分布图,并估算了1500~4500 m埋深的地温。结果表明:地温梯度介于 2.37~4.03 ℃/hm、大地热流值分布介于 63.33~89.18 mW/m2 ,整体呈现东西高、南北低的分布特征。此外,深部地温随埋深递增,1500 m埋深温度范围为47.97~74.11 ℃,在4500 m时最高达207.27 ℃,其分布具有与地温梯度、大地热流协同的规律,且受地温梯度横向差异影响。综合分析表明:矿区地温场异常形成是地质构造、地层岩性与地下水活动耦合作用的结果,YC背斜的张性裂隙与 F1、F2断层为热流上升提供了通道,控制地热异常的空间展布;清虚洞组灰岩与金顶山组粉砂岩的热导率差异,通过调控热传导效率影响地温梯度分异;河水渗流冷却则通过热交换形成局部低温异常。其研究成果为矿区热害防治及地热资源开发提供了理论依据与数据支撑。
Abstract
To explore the characteristics of the geothermal field and its main controlling factors in a certain mining area in Zhenxiong, Yunnan Province, this paper systematically integrates the temperature data from boreholes and the thermal conductivity test results of rock samples from different strata. The geothermal gradient and the heat flow value of the earth were calculated, and their distribution maps were drawn using the Kriging interpolation method. The geothermal conditions at depths of 1500 to 4500 meters were estimated. The results show that the geothermal gradient ranges from 2.37 to 4.03 ℃/hm and the heat flow value of the earth is distributed between 63.33 and 89.18 mW/m2 . Overall, it presents a distribution feature of being higher in the east and west and lower in the north and south. Additionally, the deep geothermal temperature increases with depth. At a depth of 1500 meters, the temperature range is 47.97 to 74.11 ℃, and it reaches up to 207.27 ℃ at 4500 meters. Its distribution shows a pattern that is in line with the geothermal gradient and the heat flow of the earth, and is also affected by the lateral differences in the geothermal gradient. Comprehensive analysis indicates that the formation of the abnormal geothermal field in the mining area is the result of the coupled effect of geological structure, lithology of strata and groundwater activity. The tensional fractures of the YC anticline and the F1 and F2 faults provide channels for the upward flow of heat, controlling the spatial distribution of geothermal anomalies. The difference in thermal conductivity between the Qingxudong Formation limestone and the Jindingshan Formation siltstone affects the differentiation of the geothermal gradient by regulating the efficiency of heat conduction. The cooling effect of river water seepage forms local low-temperature anomalies through heat exchange. The research results provide theoretical basis and data support for the prevention and control of thermal hazards and the development of geothermal resources in the mining area.
0 引言
随着社会经济快速发展,对矿产资源的需求持续增长,推动矿山开采深度不断增加。在此过程中,矿井面临的地质条件愈发复杂,地温持续升高引发的矿井热害问题愈发严峻(彭军等,2015姚韦靖和庞建勇,2018吴基文等,2019)。高温环境不仅会导致井下作业人员出现中暑、热疲劳等健康问题,降低劳动效率,还会影响机电设备的正常运行与使用寿命,增加设备故障和安全事故发生概率,极大制约矿山安全生产,给矿山企业带来巨大安全风险与经济压力,同时对矿产资源行业的可持续发展形成阻碍(徐保财,2020朱敬忠等,2021)。而有效防治矿井热害的核心前提,在于系统掌握区域地温场的分布特征及地温异常的主控因素,这也成为当前矿井热害研究的关键切入点。
目前针对单一矿井或特定地区的地温场特征、地温异常影响因素,前人已开展大量相关研究,从地温场分布规律、控制因素到资源勘探应用均形成了较为系统的认识。经多个矿区的综合对比表明,地温场在垂向上普遍呈现协同变化规律,而在平面上则表现出显著差异。这种平面分异主要源于各矿区所处地质构造背景、岩石组合特征及水文地质条件的综合作用,如松散层厚度、构造背斜形态、岩石导热性能与地下水活动强度等,共同塑造了地温场在空间上的非均匀分布格局(郭艳等,2015颜少权等,2021张广兵等,2023王文希和冯嘉豪,2025),揭示了热源、通道、热储等多因素对地热系统的协同控制作用,明确了传导型地热成因机制(马健等,2025)。其中在深部储煤层中,地温场分布特征主要受埋深、背斜、断层、地下水活动及岩石热导率等因素控制,并总结出水平地层控温、基底隆起控温、断裂型控温以及断层-地下水复合型控温4类典型模式(彭涛等,2017徐立富等, 2025)。对于埋深100 m左右的地层条件下,虽然地温梯度与大地热流相对较低,但是其分布规律及控制要素与深部矿层有着相似的结论,不同之处在于热量的来源,浅部除了内部热流的对换,还有太阳辐射的热量,而深部矿层地温几乎不受太阳辐射的影响(薛宇泽等,2022赵鑫鑫等,2022)。此外,部分学者以非矿区作为研究对象展开了相关研究(李丹等,2023唐晓音等,2023张翘然等,2023宫江萍等,2025)。例如,以塔里木、松辽、中国海及邻区盆地作为研究区,同样通过整合系统稳态测温、以及测试数据,结合稳态热传导方程,揭示了地温场特征,同时建立了地温场与地球化学性质的关联,深化了对盆地构造演化与资源潜力的认识,为盆地地热资源开发提供了依据。与此同时,数值模拟技术的应用为从宏观尺度揭示地温场特征与控制机制提供了有效途径(朱敬忠等, 2021)。在许疃煤矿研究中,通过多源数据整合与数值模拟相结合,系统揭示了该矿地温分布规律及热害成因;而另有学者(郭江峰和姚多喜,2014穆金霞, 2019)则基于ANSYS数值模拟平台,实现了对研究区地温场的量化分析与可视化表达,深化了对煤田地热地质特征及区域构造控热机制的认识。在此基础上,进一步将研究尺度拓展至盆地系统,综合地球物理勘探与 TOUGH2多相流模拟,系统阐明了陇东盆地地热资源的分布特征与成因模式(张蒙蒙,2025)。
然而,现有研究多集中于华北、华东等煤炭资源开发较早的区域,针对西南地区,尤其是云南镇雄及其周边区域的地温场特征研究相对匮乏。经实地勘探发现,镇雄某矿区多个钻孔地温已超过 40℃,高温环境对矿山开采安全构成显著威胁。因此,通过系统收集该矿区钻孔地温数据,结合岩石热物理性质试验,深入剖析其地温场的空间分布特征与成因机制,不仅可为该矿区矿井热害的精准治理提供科学依据,亦能为西南地区类似复杂地质条件下的矿区热害防治工作提供有益借鉴,丰富中国区域地温场研究的理论与实践体系。
1 区域地质概况
1.1 区域地质构造
本区经历了长期多次的地壳运动,使不同时代的地层发生了多种形式的构造变形,留下了性质不同、规模不等、形态各异、方向不一的构造,形成了以扭动构造体系为主的互为交织构造格局,其构造位置属扬子陆块区、上扬子古陆块、滇东被动陆缘,进一步划分为昭通陆棚、巧家陆内裂谷、曲靖陆表海、水富坳陷盆地(图1)。研究区处于YC背斜核部,地表主要出露寒武纪地层,矿产资源赋存于下寒武统梅树村组,呈隐伏状,隐伏于YC背斜,埋深一般大于 430 m,矿层产状与地层产状一致,矿床成因类型为早寒武纪沉积型磷块岩矿床。该矿区因长期沉降作用及多次的构造运动,最终形成一系列的断层与褶皱构造,其中断层构造主要有北东向的 F1、F2断层。 F1断层位于矿区西部,走向北东向,延伸长约 2.7 km,为矿区地表出露规模最大断层,断层整体产状 330°∠80°,断层性质为一陡倾张性正断层,断层上盘(北西盘)为清虚洞组厚层状泥晶灰岩,下盘(南东)为金顶山组页岩、粉砂岩;F2断层位于矿区南部,断层产状 285°∠77°,延伸长约 1.68 km;断层性质为陡倾平移走滑正断层,具有右行平移特征,断层上下盘均为清虚洞组白云岩及金顶山组粉砂质泥岩、粉砂岩。主要褶皱构造有轴向东西的YC背斜,轴总体呈近东西向展布,区内长大于 21 km,宽 14 km。核部地层为下寒武统金顶山组、清虚洞组,翼部地层为奥陶系、志留系、二叠系、三叠系等。在该背斜中的地层有上寒武统与下奥陶统,上奥陶统与下志留统,下志留统与泥盆系、石炭系、下二叠统与上二叠统玄武岩,玄武岩与龙潭煤系,中侏罗统与白垩系等多个沉积间断面。该背斜具有顶平翼陡的特征,两翼基本对称,核部地层倾角较缓,一般为 5°~13°,翼部地层倾角为20°~30°。褶皱轴面近于直立,翼间角大于 120°,其长宽比大于8∶1,为直立宽缓线状背斜。
1.2 区域地层
根据区域地层出露及钻孔揭示,区域内发育地层由老至新有震旦系与寒武系。其中矿区地表主要出露地层为下寒武统明心寺组(Є1m)、金顶山组 (Є1j)、清虚洞组(Є1qx)和中寒武统高台组(Є2g)(图2);钻孔揭露地层有下寒武统牛蹄塘组(Є1n)、梅树村组(Є1ms)和上震旦统灯影组(Z2dn)。
区域内仅见有上震旦统灯影组(Z2dn),为隐伏地层,以白云岩为主;下寒武统梅树村组(Є1ms)为矿区赋矿层位,地表未出露,隐伏于 YC 背斜,岩性主要为含磷白云岩、砂屑磷块岩、含磷硅质白云岩、含磷硅质岩等,厚度 55~128 m;牛蹄塘组(Є1n)地层在研究区内未出露地表,依据钻孔揭露情况可分为 3 段:一段(Є1n1)岩性为灰黑色炭质页岩、钙质粉砂岩局部有泥岩,厚 26.51~154.93 m,与梅树村组三段整合接触,二段(Є1n2)岩性为灰—浅灰色薄层—中层状钙质泥质粉砂岩夹灰色薄—中层状粉—细晶灰岩,厚 77.61~285.00 m,三段(Є1n3)岩性为深灰—灰黑色条纹状粉砂岩、泥质粉砂岩夹灰岩透镜体,厚 21.62~112.48 m;同样明心寺组(Є1m)一段以砂岩为主,二段以泥岩为主,厚度为 94.45~226.34 m;金顶山组(Є1j)下部为粉砂质页岩及页岩;上部为石英砂岩、粉砂岩夹泥岩、页岩,实测剖面中以一层含古杯灰岩的出现作为与明心寺组的岩性分界。清虚洞组 (Є1qx)下部主要为碳酸盐岩,上部为碳酸盐岩与碎屑岩互层,该组地层大面积分布于YC背斜核部。
1区域大地构造位置图
2矿区地质简图
2 地温场特征
2.1 测温资料
本研究地温数据的获取主要来源于井温测试资料的统计。累计收集到66个钻孔测温数据,其中包含7个近似稳态测温孔。待钻孔内的井液温度与周围岩层温度已基本实现热平衡,处于稳定状态,此时所测得的数据能够更精准地反映出地层的真实温度状况,由此作出部分钻孔深度-温度曲线图,从图中呈现的结果来看,地温变化与深度之间呈现出显著的线性关联特征,这一规律清晰地反映出研究区属于典型的热传导型增温模式(图3)。该地温变化规律,为后续开展相关研究工作提供了扎实、可靠的基础参数支撑。
3钻孔深度-温度曲线
2.2 地温梯度
地温梯度作为表征地球内部热量垂向传导特征的关键参数,特指恒温带深度以下地层温度随垂直深度的变化速率,其物理意义可量化为每百米垂直深度范围内温度的增量,单位以℃/hm 表示(赵东和王海亮,2019雷海飞等,2020)。该参数的数学表达基于热传导理论,通过热储层顶板温度与恒温层温度的差值、对应深度差值的比值进行计算,其公式如下:
G=100T-T0H-H0
(1)
式(1)中,G为地温梯度(℃/hm),反映单位深度内温度的变化幅度;T 代表热储层顶板的实测温度 (℃);H 为热储层顶板的埋藏深度(m),需通过钻井或物探手段精确测定;T0为研究区恒温层温度(℃), H0为恒温层深度(m),通常指地表以下温度常年保持恒定的深度区间。基于上述公式,本研究对上述钻孔地温梯度值进行计算,计算结果见表1
1钻孔地温梯度值
表1可知区内平均地温梯度介于 2.37~4.03℃/hm,平均值为 3.17℃/hm。基于以上钻孔数据,通过克里金插值法绘制矿区平均地温梯度等值线图,由图可看出矿区地温梯度差异显著,整体呈现东西高、南北低的不对称展布格局,这种格局与区域构造框架及深部热流运移路径具有显著关联性(图4)。
4平均地温梯度等值线图
从高梯度区(G>3.5℃/hm)的分布来看,其主要集中于两大区块:东侧 15 线中部、11 线及 9 线上部区域,该范围与 YC 背斜核部重合。背斜构造作为典型的聚热单元,其核部岩层因挤压作用导致裂隙发育程度相对较低,热流在垂向传导过程中受横向分散作用较弱;西侧高梯度区则分布于 4 线和 8 线上部,紧邻断层 F1与 F2的影响范围。断裂带作为深部热流向上运移的优势通道,其破碎带内岩石孔隙度与渗透性显著提高,不仅降低了热传导阻力,更可能通过对流作用将深部热能快速传输至浅部,导致断层周边地温梯度异常升高。
低梯度区(G<2.5℃/hm)则呈孤立闭合圈状零散分布,以钻孔QY07-X13(G=2.46℃/hm)和QY07-X14(G=2.37℃/hm)为典型代表。该区域的低热梯度特征源于两方面因素:一是局部发育高热导率岩性,其热传导效率较高,使得单位深度的温度增量相对较小;二是可能存在活跃的地下水循环系统,浅层冷水通过裂隙渗入并与围岩进行热交换,通过对流作用带走部分热量,从而降低地温梯度。此外,该区域远离主要构造带,热流输入相对稳定,缺乏额外热源补充,也加剧了低梯度特征的稳定性。
2.3 岩石热导率与大地热流
2.3.1 岩石热导率测试
岩石热导率作为材料科学与热力学领域的核心概念,不仅能够量化物质传导热量的能力,更是计算大地热流值不可或缺的关键数据。为了科学、准确地评价研究区地层岩石的热传导性能,本研究开展了岩石热导率样品的采集与测试工作。样品采集范围主要来源0线、4线、5线、7线、8线、9线、10 线、11 线、12 线、13 线、15 线中 66 个钻孔,共计 505 个岩石样品,包含的主要岩石类型有灰岩、粉砂岩;测试工作采用 DRPL-Ⅲ导热系数测试仪完成(图5),参考标准 GB/T10295-2008,基于稳态热传导定律,运用平板热流计法对研究区域内采取的岩石进行热导率测试,测试结果见表2
5DRPL-Ⅲ导热系数测试仪
2钻孔热导率测试值
表2得知研究区岩石热导率的整体变化范围为1.92~2.90 W/(m·K),其中11线的热导率波动范围最大,8线的波动范围相对较小,表明不同区域的岩石在热传导性能上存在显著的空间差异性,这说明与各采样线所涉及的岩性组成、岩石致密程度及孔隙发育状况等地质因素的差异密切相关。由其分布图可得出热导率基本呈正态分布(图6),其中2.1~2.6 W/(m·K)区间的样品占据主导地位,相对频率达到 77%,而2.6~3.0 W/(m·K)的相对频率则相对较低,且随着热导率的增大,相对频率整体呈递减趋势,反映了研究区岩石在热传导性能上存在一定的差异性。
2.3.2 大地热流分布特征
大地热流值作为表征地球内部热状态的核心参数,在地热学、地球动力学及资源勘探领域占据着重要地位。相较于地温梯度、热导率等单一地热参数,其独特性在于通过整合岩石热物理属性与温度空间变化规律,能够更本质、更综合地反映特定区域地温场的整体特征。它量化了单位时间内通过单位面积地表向外部环境扩散的热量,是地球内部热能经传导、对流等机制向浅表运移的最终体现,其数值大小直接关联着区域构造活动性、岩石圈厚度及深部物质运动状态。
6矿区岩石热导率分布
大地热流值的数学表达基于傅里叶热传导定律,其数值等于岩石热导率(λ)与垂向地温梯度(dT/ dZ)的乘积(李延河等,2023),其公式如下:
Q=-λdTdZ
(2)
式(2)中:Q 为大地热流值,单位为毫瓦每平方米(mW/m2),负号表征热流方向与温度梯度方向相反;λ代表岩石热导率,单位为瓦每米开尔文(W/m· K),是表征岩石传热能力的固有属性,其数值取决于岩性;dT/dZ为垂向地温梯度,单位为摄氏度每百米(℃/hm)。
根据以上公式,计算结果见表3,从表中数据显示矿区热流分布在 63.33~89.18 mW/m2,平均值为 75.67 mW/m2,大部分热流数据值在70~80 mW/m2 范围内。根据表中的数据,运用克里金插值法并绘制研究区大地热流分布图。从图中可看出研究区大地流值在不同区域存在明显差异,高值区与低值区相互交错分布,呈现东西高,南北低的特点(图7)。其中热流值较高的区域主要集中在矿区的西部与东北方向,同样紧邻断层 F1与 F2的影响范围和 YC 背斜核部附近,该区域的热流值可达80 mW/m²及以上,显示出较强的地热活动特征;而低值区则主要分布于矿区中部偏上及部分边缘区域,热流值相对较低,多在 65 mW/m²以下。整体来看,矿区大地热流与地温梯度的分布规律较为相近,表明矿区地温梯度对大地热流分布有重要影响。
3大地热流计算结果
7大地热流分布图
2.3.3 深部地层温度估算
地层深部温度估算在地质与能源等多领域意义重大。从地质研究角度看,有助于深入理解地球内部热状态、热演化过程以及深部地质构造的动力学机制;在能源勘探开发方面,准确估算深部地层温度是评估和开发地热能、油气资源的关键前提,合理的温度预测能够有效指导地热井的布局与开采方案制定,助力提升地热能开采效率。其估算方法通常用地温梯度法与一维稳态热传导方程法(朱戈等, 2020),本文采用地温梯度法对矿区 1500~4500 m地层温度进行估算,并作出温度分布图(图8~图11),其中,1500 m处地层温度范围为47.97~74.11℃,2500 m 处温度范围为67.18~116.66℃,3500 m处温度范围为 85.61~161.97℃,4500 m 时温度范围为 104.04~207.27℃。显然随着深度增加,地层温度呈上升趋势,由此说明埋深对地温度场有着一定的影响。
深部地层温度的分布与上述地温梯度和大地热流的分布趋势十分相似,研究区内的相对高温区主要出现在矿区的东部与西北部。1500 m 埋深下少数区域的温度低于50℃,矿区东北方向与西北向大部分区域处于 55℃以上,甚至高达 74℃,即同一深度下不同地区的温度差可达3~26℃,体现了地温梯度横向差异对深部温度的控制作用。同理,2500 m 埋深下,少部分区域温度低于 80℃,而上述高温异常区则均在 90℃以上,甚至高达 117℃。3500 m 与4500 m时的温度分布与前两者相似,少部份低温区域的温度为86~104℃,而高温异常区域的温度在 120℃以上,甚至高达 207℃。因此,深部地温分布除了与埋深有关之外,还与地温梯度的横向差异等因素有关。
81500 m时地温分布图
92500 m时地温分布图
103500 m时地温分布图
114500 m时地温分布图
3 地温场影响因素分析
3.1 地质构造
区域地质构造活动作为地球动力学过程的直观体现,不仅通过褶皱变形、断层错动等构造形迹重塑岩层空间展布形态,更通过岩石力学性质的改造引发热物理参数的各向异性变化,在水平与垂直方向上,岩石热导率、热扩散率等关键参数因构造应力作用导致的岩性破碎、裂隙发育程度差异而呈现显著分异,进而改变区域热传导路径与效率。一方面,褶皱作用形成的背斜核部因地层曲率变化产生应力差异,导致深部热流沿构造脊线方向汇聚或沿槽部分散;另一方面,断层构造,作为沟通深部热储与浅部地层的通道,促进地幔或地壳深部热能向浅部传输,从而引发温度场的扰动,导致地温梯度的异常升高,形成沿断层展布的线性或条带状地温热异常区。
研究区的地温场分布与断层、背斜的发育程度密切相关。F1、F2断层作为深部热流垂向运移动态通道,其构造破碎带增强了围岩的渗透性,为热流运移提供了有效路径。在 4 线、8 线区域,钻孔 QY08-S01、QY08-X02 与钻孔 QY04-SF01、QY04-X02、QY04-X03、QY04-X04 的平均地温梯度值、大地热流值明显大于周边及其他地质构造简单区域 (图3图6),地温梯度介于 3.16~3.82℃/hm,热流值介于 76.47~89.18 mW/m2,且均位于 F1、F2断层附近。断层区域内由外到里地温梯度与大地热流值均呈上升趋势,揭示出断裂带对深部热源的导流与聚热作用,对区内地热有着一定的影响;YC 背斜则通过褶皱变形引发岩石热物理性质的各向异性分异,核部因岩层破碎、节理定向发育,热导率沿构造脊线方向显著提升,进而驱动热流定向汇聚。同样的,在 5 线、7 线、9 线、11 线、12 线及 15 线区域,钻孔 QY05-X09、QY07-X09、QY09-X09、QY12-X03、 QY11-X13、QY13-X10 及 QY15-X11 的平均地温梯度值明显大于周边及其他地质构造简单区域,且集中分布于YC背斜带(图3),高值区核部平均地温梯度介于 3.2~4.53℃/hm,翼部介于 2.97~4.03℃/hm,核翼部的明显差异印证了背斜核部对热量聚集的控制作用。因此断层、背斜二者共同控制了矿区地热异常的空间布局,对研究区地温场的分布起到了关键性作用。
3.2 地层岩性
岩石作为地球表层热量传导的载体,其热传导能力可通过热导率这一关键参数定量表征,即热导率越高,说明导热性越好,反之则越差。在区域地质背景岩性相对均一的前提下,地温梯度呈现相对稳定的特征,当研究区岩石性质存在显著横向或纵向差异时,岩石热导率的非均一性则会导致地温场产生相应的差异。
研究区内出露地层寒武系清虚洞组与金顶山组,下寒武统清虚洞组呈致密结晶结构的灰岩,热导率较高,介于 2.15~2.90 W/(m·K)范围内,该岩性分布区域较为广泛,例如钻孔 QY07-X13、QY07-X14 热导率高达 2.90 W/(m·K),但其地温梯度仅有 2.37℃/hm 左右,热流值也同样偏低;金顶山组粉砂岩含泥质成分高且孔隙发育,热导率相对较低,介于 1.92~2.74 W/(m·K),例如钻孔 QY11-X04、 QY13-X16,热导率分别为 1.95 W/(m·K)、2.07 W/ (m·K),但其地温梯度达到3.9℃/hm、3.64℃/hm,热流值达到 76.05 mW/m2、75.35 mW/m2。由此可见不同岩性地层,其物理性质有较大差异,从而引发不同的地温异常。
3.3 地下水活动
水文地质条件作为地热异常形成的关键驱动因子,通过地下水的热动力学过程参与地温场的调控,其作用机制体现在热传输与能量交换的双重效应中。水介质因具有高热容特性与流动性,既是热量传输的高效载体,也是地热能量的重要储集介质。地壳浅部岩层发育的孔隙-裂隙系统,多为地下水所饱和,形成贯通的流体运移通道,使地下水成为影响地温场空间分异的关键水文地质要素;从深部热循环来看,上地幔及地壳深部热源持续释放的热能加热围岩孔隙流体,形成高温地热流体。受热流体因密度降低产生浮力效应,沿断裂或高渗透性岩层向上运移。据勘探资料显示,矿区西部河流主要有河流 1,东部河流主要有河流 2、河流 3 与河流 4,河流由南西向北东汇入白水江。地表河流的低温水体通过第四系松散层或浅部裂隙向地下渗透,与深部高温围岩发生热交换,冷水吸收围岩热量升温,同时降低围岩温度,使渗透路径上的垂向温度梯度因浅部温度偏低而减小;如 QY07-X13、 QY07-X14、QY09-X17 等钻孔,地温梯度与大地热流值都相对较低(图3图6),与河流 4 支流的空间展布具有一致性,且这些区域多为浅部渗透性较好的金顶山组粉砂岩,进一步印证了低温地下水补给的冷却效应。
4 结论
(1)本研究系统揭示了该矿区地温场具有显著的空间非均一性。具体表现为地温梯度与大地热流值的分布高度协同,整体呈现“东西高、南北低” 的分布规律。其中,高值(G>3.5℃/hm,Q>80 mW/ m2)异常区受控于东部 YC 背斜核部及西部 F1、F2断层带;而低值区(G<2.5℃/hm,Q<60 mW/m2)则分布于构造活动较弱区域。清晰地表明地热活动的空间分异受控于特定地质构造条件。
(2)深部地温预测显示,其温度随埋深增加呈线性递增,热害风险加剧且空间差异显著。1500 m 埋深温度范围为47.97~74.11℃,2500 m增至67.18~116.66℃,3500 m达85.61~161.97℃,4500 m时最高达 207.27℃,温度极差从 26.14℃扩大至 103.23℃。这种垂向增温与横向分异的叠加特征,印证了地温梯度作为深部热状态表征参数的核心作用。
(3)研究区地温场的形成与演化是地质构造、地层岩性及水文地质条件耦合作用的结果。地质构造是热异常的主控因素,在进行井下开采布局时,应优先识别并避让构造发育区,从源头上规避热害风险。其次是地层岩性与地下水活动因素,应强化巷道围岩隔热与通风,在水文地质条件上,充分利用河流地下水渗流带来的天然冷却效应,合理规划开拓路径以构建低温作业区,同时加强对断层导水导热双重作用的监控,为矿区热害治理提供系统有效指导。
致谢  感谢审稿专家和编辑部提出的宝贵修改意见。
1区域大地构造位置图
2矿区地质简图
3钻孔深度-温度曲线
4平均地温梯度等值线图
5DRPL-Ⅲ导热系数测试仪
6矿区岩石热导率分布
7大地热流分布图
81500 m时地温分布图
92500 m时地温分布图
103500 m时地温分布图
114500 m时地温分布图
1钻孔地温梯度值
2钻孔热导率测试值
3大地热流计算结果
宫江萍, 朱焕来, 杜先利. 2025. 长岭凹陷地温场分布特征及主控因素分析[J]. 矿产勘查,16(9):2081-2089.
郭江峰, 姚多喜. 2014. 基于 ANSYS 数值模拟的丁集矿地温研究[J]. 煤矿安全,45(9):193-196.
郭艳, 吴基文, 冯松宝. 2015. 宿县矿区地温特征及控制因素分析[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版),38(5):694-699.
雷海飞, 李红岩, 戴明刚. 2020. 雄安新区地温场特征及其控制因素[J]. 中国煤炭地质,32(2):46-50.
李丹, 常健, 邱楠生. 2023. 塔北—阿满北部地区超深层现今地温场特征[J]. 地球物理学报,66(8):3353-3373.
李延河, 万志军, 于振子. 2023. 平顶山矿区地热地质条件及其成因分析[J]. 地球物理学进展,38(2):551-561.
马健, 郭恒, 姜冰. 2025. 山东五里地区地热地质特征及控制因素[J]. 矿产勘查,16(4):792-801.
穆金霞. 2019. 淮南煤田地热地质特征分析: 以顾北煤矿为例[J]. 中国矿业,28(1):85-91.
彭军, 吴基文, 彭涛. 2015. 临涣矿区地温场特征及其异常因素分析研究[J]. 煤炭工程,47(1):88-91.
彭涛, 任自强, 吴基文. 2017. 潘集矿区深部现今地温场特征及其构造控制[J]. 高校地质学报,23(1):157-164.
唐晓音, 钟畅, 杨树春. 2023. 中国海及邻区盆地现今地温场特征及其影响因素[J]. 地质学报,97(3):911-921.
王文希, 冯嘉豪. 2025. 安徽沙坪沟地区地温场分布特征及影响因素分析[J/OL]. 矿产勘查,1-17[2026-01-02]. https://link. cnki. net/urlid/11. 5875.
吴基文, 王广涛, 翟晓荣. 2019. 淮南矿区地热地质特征与地热资源评价[J]. 煤炭学报,44(8):2566-2578.
徐保财. 2020. 我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析[J]. 中国石油和化工标准与质量,40(16):192-193.
徐立富, 白玉湖, 徐兵祥. 2025. 临兴—神府区块深部煤储层地温场特征及控制模式[J]. 煤田地质与勘探,53(5):81-92.
薛宇泽, 张玉贵, 韩元红. 2022. 关中盆地韩城大断裂东南地区浅部地温垂向分布特征浅析[J]. 油气藏评价与开发,12(6):843-849,893.
颜少权, 杨义栋, 张超然. 2021. 河南省永城市顺河西矿区地温分布规律研究[J]. 地质与资源,30(4):473-478.
姚韦靖, 庞建勇. 2018. 我国深部矿井热环境研究现状与进展[J]. 矿业安全与环保,45(1):107-111.
张广兵, 谭浩, 张志峰. 2023. 宁东煤田鸳鸯湖矿区地温分布特征及其影响因素[J]. 内蒙古煤炭经济,(1):21-24.
张翘然, 肖红平, 饶松. 2023. 松辽盆地现今地温场特征及控制因素[J]. 地质科技通报,42(5):191-204.
张蒙蒙. 2025. 陇东盆地地热资源综合地球物理勘探与数值评价研究[J]. 华北自然资源,(1):32-34.
赵东, 王海亮. 2019. 洛阳市南部区地热地温场特征及影响因素研究[J]. 中国煤炭地质,31(8):44-48.
赵鑫鑫, 程立群, 王陶然. 2022. 冀东山区浅部地温场分布特征及控制因素[J]. 矿产勘查,13(7):983-989.
朱戈, 刘绍文, 李香兰. 2020. 长江下游区域地温场特征及其能源意义[J]. 地学前缘,27(1):25-34.
朱敬忠, 刘启蒙, 琚棋定. 2021. 许疃煤矿地温分布规律及热害预测分析[J]. 煤炭工程,53(4):131-135.